一種小口徑深井內壁去污裝置設計

鄧云偉， 李軍格， 魏建民

（中國工程物理研究院 核物理與化學研究所,四川 綿陽 621900）

0 引言

由于很多放射性產物在小口徑深井中存放過，因此導致其內壁空間污染較為嚴重，如果在核退役工程中直接對該小口徑核污染深井進行拆除，勢必會增加工作人員的受照劑量，對工作人員的人身安全造成損傷。為了減少污染、降低人員受照劑量以及降低廢物等級，必須研制專用的去污裝置，在拆除之前對該小口徑核污染深井內壁進行去污。

1 去污裝置的設計分析

1.1 去污對象及工程條件

針對小口徑核污染深井為φ110 mm×5 mm×7500 mm（內徑×壁厚×深度）結構形式，且現場只具備吊車、電力等簡易工程條件，如何設計一套去污裝置，使其具備升降、去污、吸塵、防護等功能，同時結構簡單、通用性強、操作方便，是設計者需解決的問題。其中，升降機構和去污結構方式較多，需視現場情況選擇，而吸塵和防護受限于現場條件，結構則較單一。

1.2 升降驅動條件分析

考慮到現場空間具有放射污染性，該小口徑核污染深井最長升降行程達7 500 mm，如果采用手動控制現場具備的吊車拉拽升降去污裝置，一是配合人員多，二是升降控制精度差，沖擊大，去污裝置運行不穩定。基于以上分析，出于減少現場作業人員，去污工具控制穩定的目的，升降機構既可采用伺服電機卷繞鋼絲繩自動控制機構，也可采用手動拉動軟軸升降去污頭的方式。但前者成本高，后者操作勞動強度大，且需多人配合。設計過程應視具體情況綜合考慮選擇相應的升降驅動方式。

1.3 去污工具主體機構形式分析

去污工具主體一般可設計為管內型和管外型兩種形式。

管內型去污工具的特點是去污工具驅動元器件與去污頭為一體，其可在管內進行升降動作。管內型適用于管徑較大的深井，主體結構的體積需設計緊湊。其優點是升降驅動機構可實現小型自動化，缺點是成本較高。

管外型去污工具的特點是去污工具驅動元器件與去污頭分離，去污工具驅動元器件置于管外的井頂，通過軟傳動軸與去污頭連接。通過升降傳動軸動作實現去污頭可在管內的升降，該升降動作需依靠人工操作或吊車等大型化設備。管外型適用于管徑較小的深井，其優點是成本低，缺點是操作復雜。

2 去污裝置選取的技術路線

針對該去污裝置的去污對象為φ110 mm×5 mm×2505 mm（內徑×壁厚×深度）的深井，技術路線選擇如下：

該類深井具備管徑較大的特點，去污裝置主體適于采用管外型結構。另外，該專用工具升降行程最長達到7 500 mm，使用現有行車行程太大，且去污工具控制穩定性差。為了減少現場作業人員，去污工具控制穩定，升降機構擬通過伺服電機自動控制細鋼絲索卷盤的正反轉來實現懸掛于鋼絲索末端的去污工具升降的方案。由于其主體結構懸掛于鋼絲索末端，去污頭旋轉會產生徑向反作用力，需設計主體支撐機構克服該徑向反作用力，同時設計軸向導輪，實現軸向升降。去污功能的實施方案采用電機驅動去污頭旋轉，將深井內表壁附著的放射性粉塵擦拭掉。在井頂防塵罩的作用下將其封閉在井中達到防護功能。在去污頭擦拭過程中，通過去污裝置上的吸塵管口和置于深井外吸塵設備，實時有效地吸出去污頭擦拭井壁飛揚的放射性粉塵，輸入后處理管道進行再處理。

3 去污裝置總體結構

通過以上技術路線及應用工程設計方法，該去污裝置總體結構如圖1所示，主要由工具主體、伺服控制升降機構、吸塵設備、定位塞、氣壓設備等構成。

圖1 去污裝置總體結構

工具主體的主要功能是實現電機、去污頭、支撐導輪機構、壓縮氣體內腔、吸塵管路通道的安裝布局設計，它是去污裝置最關鍵的部件。

伺服控制升降機構是去污裝置的重要部件，主要由伺服電機、鋼絲繩輪轂、鋼絲繩、支架、定滑輪等組成。其柔性升降性可有效縮短去污裝置剛性升降的距離，同時提高裝置的可操作性。

吸塵設備為密閉設施，由吸塵器和吸塵軟管構成，將吸塵軟管的一頭連在吸塵器上，另一頭塞入深井內部，對飛濺的放射性粉塵進行收集，過濾后的尾氣需用軟管連接至后處理管道中以便后處理，杜絕直接排放。

根據深井內徑制作專用的深井定位塞，定位塞上開有4個孔，分別用于去污工具升降繩索、吸塵軟管、壓縮空氣輸入管和電纜的穿過。工作時將定位塞止口塞入深井內腔，起到去污工具在擦拭時的定位和防止飛濺的放射性粉塵從井口溢出的目的。

該去污裝置的去污方法為：在不向工具主體的壓縮氣體內腔充氣，支撐導輪機構處于回收狀態下，啟動井上的伺服電機，驅動升降輪轂旋轉繞卷通過輪轂和滑輪的細鋼絲繩，將細鋼絲繩末端懸掛的去污工具吊入深井底部。然后向工具主體的壓縮氣體內腔充氣，打開裝置支撐導輪機構，使其導向輪支頂深井內壁，在勻速提升的同時，啟動去污工具主體的電機實現擦拭去污頭的旋轉，達到擦拭深井內壁，實現深井內壁的去污功能。同時啟動井上連有的軟管吸塵器，通過吸塵軟管從裝置主體上靠近去污頭的吸塵口，吸取去污頭對深井進行擦拭產生的放射性粉塵，達到放射性廢物收集和處理的目的。

4 關鍵部件結構

4.1 工具主體結構

去污裝置工具主體是去污裝置最關鍵的部件。由于受體積條件限制，其結構需緊湊，其支撐導向機構既可實現徑向支撐，又可實現軸向移動。由于工作工況徑向力不確定，故采用可變壓力源，可調節壓縮氣壓來調節徑向支撐力，以保證去污裝置工具主體既可克服擦拭反作用力，又不影響其軸向移動，具有對不規則圓度的內徑適應性強的特點。考慮到該去污裝置的可維護性，裝置工具主體的內部件安裝均與外部密封，其外表面平滑過渡，避免放射性粉塵沉積在工具主體之上，繼而避免放射性粉塵對維護人員造成人身危害。去污裝置工具主體具體結構見圖2，主要由工具主體（上下部組合）、去污頭驅動電機、去污頭、吸塵管接口、壓力氣體管接口、支撐導向輪、回縮彈簧、支撐活塞、吊環和密封圈等組成。

圖2 去污裝置工具主體結構示意圖

當工具主體的內腔充入壓力氣體時，支撐活塞徑向伸出，帶動6個支撐導向輪壓在深井內壁，該徑向力使支撐導向輪與深井內壁形成的摩擦力可限制去污裝置工作時擦拭頭與深井內壁之間摩擦產生的反作用力，從而避免因懸于深井中的去污工具的旋轉而影響其升降功能。同時，在升降伺服電機的控制下，支撐導向輪可在深井內壁進行軸向的滾動，在不破壞其徑向定位的同時完成去污裝置的升降動作。

去污頭驅動電機用于去污頭的旋轉，考慮到其電力線需上下拖拽，其電力線易磨損，選用安全電壓的24VDC直流電機。

4.2 去污頭結構

去污頭采用條型擦拭條與彈簧回壓滑軸的組合結構，具體結構見圖3。其主要由去污頭安裝軸、去污頭本體、可離心滑軸、回縮彈簧、去污擦拭條、鍵等組成。

去污頭的設計主要需解決如何補償擦拭條與深井內壁之間距離的問題。該去污頭結構依靠電機軸旋轉，去污頭上的可離心滑軸產生離心力，以克服回縮彈簧的壓力，可離心滑軸徑向伸出，帶動離心滑軸上的擦拭條徑向伸出，用以補償擦拭條與深井內壁之間的距離，使去污頭擦拭條與深井壁充分接觸，能夠擦拭井壁的放射性粉塵。

從以上分析看出，4組去污頭擦拭條補償距離可根據對應的不規則圓度進行動態調整，具有對圓度不規則口徑的去污對象適應性強的特點。

圖3 去污頭結構示意圖

5 結論

該裝置研制成型能對φ110 mm×5 mm×7500 mm（內徑×壁厚×深度）結構形式小口徑核污染深井的內壁進行粉塵去污。具體技術參數如下：工具主體質量為7kg；去污速度為0～5 m/min范圍內可調；克服擦拭反作用徑向力的調節壓縮氣壓為30 kPa；擦拭頭轉速為500 r/min。

該小口徑核污染深井去污裝置結構新穎，具有對圓度不規則口徑的去污對象適應性強、操作方便的特點，能為某堆的核退役工作提供技術支撐。同時，對于其它核工業設施退役中小口徑深井去污具有通用性，有較大的應用和推廣價值。該小口徑核污染深井去污裝置具有下述特點：1）采用柔性升降機構，解決了去污裝置行程長、操作不便的問題；2）研制的裝置能在去污狀態下實現工具主體徑向止轉，軸向升降的功能；3）設計的去污頭能在裝置去污狀態下動態補償擦拭條與深井內壁之間的距離，充分擦拭去除井壁的放射性粉塵。

［1］ 杜家熙,寧李譜,寧欣.管道爬行機器人結構研究［J］.起重運輸機械.2010（5）：58-60.